BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Nguyễn Thị Tuyết Trinh PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ĐỘNG ĐẤT CỦA KẾT CẤU MĨNG CỌC ỐNG THÉP DẠNG GIẾNG Chun ngành: Xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số : 62.58.50.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2010 Cơng trình hồn thành tại: Bộ mơn Cơng trình Giao thơng thành phố Cơng trình thủy, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Giao thơng vận tải Phịng Nghiên cứu cơng trình, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Waseda, Nhật Bản Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Viết Trung Trường ĐH GTVT GS.TS Osamu Kiyomiya Trường ĐH WASEDA Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Trâm Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Phản biện 2: GS.TS Lê Đình Tâm Trường Đại học Xây dựng Phản biện 3: GS.TS Đỗ Như Tráng Học viện Kỹ thuật Quân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp Trường Đại học Giao thông vận tải vào hồi 08 30 ngày 08 tháng 07 năm 2010 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Trường Đại học GTVT CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Đà CÔNG BỐ KS.Nguyễn Thị Tuyết Trinh - Áp dụng móng cọc ống thép dạng giếng vùng nước sâu - Tạp chí khoa học GTVT, Trường Đại học GTVT, Bộ Giáo dục Đào tạo, số 12, năm 2005 ThS.Nguyễn Thị Tuyết Trinh, GS.TS Nguyễn Viết Trung - Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng - Tạp chí Cầu đường VN, Hội Khoa học kỹ thuật cầu đường VN, số 3, năm 2006 MSC Takeshi Katayama, MSC Nguyen Thi Tuyet Trinh – Áp dụng móng cọc ống thép Việt Nam - Hội thảo khoa học “Ứng dụng kết cấu thép công trình xây dựng cơng trình Việt Nam” - Bộ GTVT, tháng 11 năm 2006 ThS Nguyễn Thị Tuyết Trinh, GS.TS Nguyễn Viết Trung - Ảnh hưởng hóa lỏng kết cấu móng cơng trình cầu - Tạp chí Cầu đường VN, Hội Khoa học kỹ thuật cầu đường VN, số 10, năm 2008 MSC Nguyen Thi Tuyet Trinh, Dr.Takehiko Himeno - Comparison between Japanese Specification and AASHTO 1998 Specification in Seismic Design - Science Journal of Transportation, No.01 International Cooperation Journals MADI-SWJTUUTC, January 2009 -1- MỞ ĐẦU Việt Nam nằm vùng chịu tác động mạnh động đất thay đổi khí hậu Căn đồ phân vùng động đất lãnh thổ Việt Nam, số vùng thuộc khu vực phía Bắc có khả xảy động đất cấp (MSK-64) TP Hồ Chí Minh tỉnh phía Nam, vịng gần kỷ không bị địa chấn nào, nhiên từ năm 2005 đến hàng loạt trận động đất xảy Ảnh hưởng động đất tới cơng trình lớn nguy hiểm, hư hỏng nghiêm trọng cơng trình nằm vùng đất yếu, dễ xảy hóa lỏng Kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng (MCOTDG) bắt đầu ứng dụng cho cơng trình cầu lớn Việt Nam, kết cấu móng có độ cứng lớn, thích hợp cho vùng có đất yếu Tuy nhiên, nghiên cứu ứng dụng dạng kết cấu móng Việt Nam chưa nhiều Đặc biệt công tác thiết kế kháng chấn cho kết cấu móng nói chung chưa thực cách đầy đủ đồng Từ lý trên, tác giả chọn đề tài luận án “Phân tích ứng xử động đất kết cấu móng cọc ống thép dạng giếng” Mục đích nghiên cứu luận án: - Đánh giá khả hóa lỏng đất điều kiện Việt Nam, làm sáng tỏ cần thiết việc xét đến hóa lỏng đất thiết kế kháng chấn - Xác lập phương pháp thiết kế kháng chấn MCOTDG - Phân tích ứng xử động đất kết cấu móng Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án: - Đối tượng nghiên cứu MCOTDG - Phạm vi nghiên cứu phần kết cấu móng Phần liên kết móng bệ móng khơng xem xét luận án Phương pháp nghiên cứu luận án: - Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết - Phương pháp mơ hình hóa phân tích số Ý nghĩa khoa học luận án: Luận án làm sáng tỏ ảnh hưởng hóa lỏng đất có động đất kết cấu móng cầu cần thiết xét đến hóa lỏng đất thiết kế kháng chấn điều kiện địa chất địa chấn Việt Nam Kiến nghị mơ hình phát triển phương pháp thiết kế kháng chấn kết cấu MCOTDG Phân tích ứng xử động đất kết cấu MCOTDG đánh giá khả chịu động đất kết cấu móng Ý nghĩa thực tiễn luận án: Luận án làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư thực thiết kế kháng chấn cho kết cấu móng nói chung kết cấu MCOTDG nói riêng Nội dung luận án: Luận án bao gồm phần mở đầu, chương nội dung, phần kết luận, kiến nghị, nghiên cứu tiếp theo, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục -2- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI KẾT CẤU MĨNG VÀ TÌNH HÌNH THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1 Khái niệm tượng động đất Động đất chuyển động bất ngờ bề mặt Trái đất nơi tùy thuộc vào khả tích trữ giải phóng lượng đất [11] 1.2 Ảnh hưởng động đất kết cấu móng cầu Khi xảy động đất, nhiều trường hợp kết cấu phần cịn ngun vẹn cơng trình bị lật hay lún sụt Cơng trình bị phá huỷ khơng phải lực động đất mà cịn đất bị hoá lỏng [38] Trận động đất Kobe năm 1995, Mw =6,9 lớn Nhật Bản A=0,5-0,8 Ở cầu Kobe, hóa lỏng đất móng giếng chìm, gối trượt phía bắc cầu dịch chuyển gần 0,6m (hình 1.11)[33] Hình 1.11 Cầu Kobe hư hỏng móng hóa lỏng đất [33] Tuy nhiên trận động đất Kobe, cầu Nishinomiya, trụ P3 P6 bị gãy, dầm cầu bị lệch 80cm so với phương vng góc với trục cầu Kiểm tra kết cấu MCOTDG cho thấy cọc ống thép, tai nối cọc liên kết khơng có hư hỏng (hình 1.13) Điều thể tính kháng chấn cao MCOTDG a) Hư hỏng trụ P3 b) MCOTDG sau động đất Hình 1.13 Trụ P3 móng cầu Nishinomiya sau động đất [10] 1.3 Tình hình thiết kế kháng chấn giới Việt Nam 1.3.1 Tình hình thiết kế kháng chấn giới Về đồ nguy hiểm địa chấn, giới có nhiều sửa đổi nâng cấp cho đồ nguy hiểm địa chấn Bản đồ đường đồng mức đỉnh gia tốc cho xác suất vượt khác (PE) là: 10%PE 50 năm, 5%PE 50 năm 2%PE 50 năm [32] Về tiêu chuẩn kháng chấn, công tác thiết kế kháng chấn giới, đặc biệt California (Caltrans) Nhật Bản (JRA, 2002), thực đầy đủ chi tiết cho kết cấu cơng trình, khái niệm nguyên tắc thiết kế đời [15][16][17][32]: -3- Về nguyên tắc thiết kế mới, chia làm cấp thiết kế: • Đối với động đất nhỏ vừa: ¾ Thiết kế cho kết cấu kháng lại phạm vi đàn hồi; ¾ Đánh giá động đất theo chức năng, xác suất 10% 50 năm • Đối với động đất lớn ¾ Thiết kế cho đảm bảo an toàn sinh mạng cho người; ¾ Thiết kế cho kết cấu không sụp đổ cịn khả phục vụ; ¾ Đánh giá động đất theo an toàn, xác suất 2% 50 năm 1.3.2 Tình hình thiết kế kháng chấn Việt Nam Về trạm quan trắc địa chấn, sơ sài, miền Bắc có 23 trạm, miền Nam có trạm Về đồ phân vùng động đất [4], năm 2002 Viện Vật lý Địa cầu ban hành đồ phân vùng động đất , tỷ lệ 1/25.000, phân vùng nhỏ động đất với chu kỳ 1000 năm (chỉ có Hà Nội) Về Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn [3][4][5], chưa đầy đủ chưa cụ thể CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HÓA LỎNG ĐẤT KHI CĨ ĐỘNG ĐẤT 2.1 Hiện tượng hóa lỏng đất có động đất xảy Hóa lỏng đất tượng phá hoại đất thường đất rời bão hòa nước bị cường độ áp lực nước lỗ rỗng tăng đột ngột có tải trọng động tác dụng [52] 2.2 Đánh giá khả hóa lỏng đất khu vực Hà Nội có động đất 2.2.1 Cấu trúc địa chất khu vực Hà Nội [8] Từ lên có địa tầng: tầng Lệ Chi, Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hải Hưng Thái Bình 2.2.2 Đặc điểm địa chất cơng trình khu vực Hà Nội [8] Trong phạm vi Hà Nội, tồn 18 lớp: - Lớp cùng: Đất lấp, thành phần hỗn tạp - Phụ hệ tầng Thái Bình từ lớp đến chủ yếu cát sét pha - Phụ hệ tầng Thái bình từ lớp đến 7* chủ yếu sét pha cát - Hệ tầng Hải Hưng từ lớp đến lớp chủ yếu sét bùn sét - Hệ tầng Vĩnh Phúc từ lớp 10 đến lớp 12 chủ yếu cát sét pha - Hệ tầng Hà Nội từ lớp 14 đến lớp 15 chủ yếu sét pha cuội sỏi - Hệ tầng Lệ Chi từ lớp 16 đến lớp 17 chủ yếu cát pha cuội sỏi - Hệ tầng đá gốc từ lớp 18 đến lớp 19 chủ yếu sét pha sét kết 2.2.3 Đặc điểm địa chất thuỷ văn khu vực Hà Nội [8] Có tầng chứa nước chủ yếu tầng chứa nước Holocen, Pleixtocen Pleixtocen * Xây dựng mặt cắt địa chất công trình khu vực Hà Nội (hình từ 2.2) [8] -4- S «n g H å ng kilometres 11 cầu Thăng Long T h ợ n g Cá t Làng Chèm Đống Ba (Thợng Thụy) L i ê n Mạ c Liên Ngạc Thợng Cát Cầu Hoàng Xá Đông Ngạc Hoàng Liên IV.4.a Phú Xá 23 Đông Ngạc II.2.c Nhật Tảo Thợng Thụy Phú Xá Đại Cát Thụy Yên Nội P Phú Thợng Phơng ĐH Tài Xuân Canh Bắc Cầu Thôn Tây Cáo Đỉnh Sg Quán La C.V nớc Hồ Tây Khu Trung g Đông Xà I P Nghĩa Tân Mai Dịch P Nghĩa Đô P P Dịch Vọng Quan Hoa ĐH.S phạm P mai dịch Xóm Sở 17 Phủ Chủ Tịch P cống vị Khu liên hợp thể thao Quốc gia P Quốc Tử Giám P Giảng Võ Hạ Yên Quyết Nhân Mỹ P Thành Công P láng thợng TH Hà Nội Kỹ thuật 70 P Láng Hạ Mễ T r ì Trung Kính Hạ Mễ Trì Thợng Q Đống Đa p Trung Hòa Giao Quang Trung Kính Thợng khu đô thị Trung Hòa P Thịnh Quang P Trung Liệt P Kim Liên P Ngà P T Trung P Sở khơng thợng Tự P Phơng Quan Nhân II.2.c An Thái km 7,5 Xóm Đình II.2.c P Nhân Chính Trung Văn Đài phát Mễ Trì Sông Nhuệ Trung Xóm Tháp km Bảo tàng phòng không P P khơng Phơng Liệt mai TriỊu Khóc V P Qnh P VÜnh Tuy Mai P Giáp Bát P Kim Thôn Đồng Nam D Thợng Cty Da giầy P L ĩ n h N a m NM gạch si li cát Thuý Lĩnh Kim Ga Giáp Bát Nam D Hạ Ngu Giáp Tứ Kim Văn BV Y học Dân tộc quân đội Đại Từ Yên Duyên p T h ị n h L i ệ t Khu lu niệm Bác Hồ Khuyến Lơng Q H o µ n g M a i Xãm Đạo Thanh Châu ịc h Thanh Liệt chùa Nội đình Ngoại S thôn Vực g T (Yên Duyên) Pháp Vân L khu đô thị Cầu Bơu ô Linh Đàm Bến xe II.2.c III.2.a Sở Thợng Khu đô thị Pháp Vân- Tứ Hiệp Tứ Kỳ Thôn Bằng A thôn Văn Tuyến mặt cắt đCCT P Trần Phú II.1.c P hoàng Liệt Chùa Nhĩ khí I p Y ê n S Thôn Bằng B Tựu Liệt Hữu Lê Cảng Khuyến Lơng Hữu Từ I Văn Điển T ứ Hi ệ p Ta m H i Ư p H÷ u H ò a Hữu Trung NM phân lân NM Pin NT Văn Điển km Tả Thanh Oai Phú Diễn Yê n Mỹ Cổ Điển B Bình Hữu Thanh Oai Văn Điển Sg.Ho Hà Đông Yên Mỹ Yên Ngu 70 a Ga 1a N.M « t« Dae Woo Ich Vịnh Vĩn h Quỳnh Việt Yên Lu Phái Vĩnh Ninh Nhân Hòa Hn Đồng Trì Cổ Điển A Quỳnh Đô V Tự Khoát Ngũ Hiệ p Vạn Phúc Tả Thanh Oai Đại Lan Tơng Trúc Lạc Thị Thợng Phúc Vĩnh Thịnh Sg Yên Kiện Thanh Trì Tô Ngọc hồi Vĩnh Trung M Cty khí Thọ Am xây lắp số L i ê n Ni n h Hồn g Vân Đạiáng Nội Am 1a ệ Yên Phú Nhị Châu VI Sg Tô L Tranh Khúc Thôn Thôn IV.7.a Thôn Đô n g Mỹ Vạn Phúc Thôn S Thôn Phơng Nhị Quân đội Nguyệt Ang Đại Ang Duyên Hà Văn Uyên « n Th«n CÇ u GiÏ 20 km Nhu Sông g Máng Sôn Đông Trạch Thôn L Ngọc Hồi h Siêu Quần ịc Chùa Dâu Thôn Giữa P Thanh Trì P Vĩnh hng Tân Khai Sg Thôn Hạ Thôn Trại Yên Xá giải VI Tân 13 Đông Thiên Dệt Hà Nội p Định công P Đại Kim Tân Tr i ề u Cty sứ Thanh Trì Thôn Xép Vĩnh Thuận P Hoàng Văn Thụ Thanh Mai P Tân Mai Giang Khu lu niệm Nguyễn Siêu Kim Lũ Đôn Hà TX Thôn Đình Dệt 8-3 P tơng mai Khu đô thị Định Công (P Vĩnh Hng) Chợ Mơ P Minh Khai P.Trơng Định P Khơng Đình Thôn Thợng V P Thanh Lơng IV.2.a Bà Trng P Bạch MaiP Quỳnh Lôi P Mai Động P Hạ Đình P Thanh Xuân Nam IV Phùng Khoang g P Khơng Trung P Thanh Xuân Bắc Vă n Đ i Mỗ Ngọc Trục P Thợng Đình bến Phà Đen P nhàn P P Bách Khoa Cầu Dền Q H a i P Đồng Tâm mai BV Bạch Mai Q Thanh Xuân P Thanh Xuân Trung ĐH Quốc gia Cty nớc Xóm Chợ III Thạch Cầu P Ô Chợ Dừa P Yên Hòa Khu đô thị Mễ Trì Mễ Trì Hạ Phú Đô Phú Thứ Q Hoàn Kiếm P Văn Miếu Ga Hà Nội P Văn P Chơng Hàng Bột P Khâm Thiên P P Nguyễn Du Thổ Quan P Ngô P P P Thì Phạm Trung CV Đình P P Bùi P Bạch Đằng Quang Phụng Thống Nhất Nhậm hổ Trung Nam Đồng Thị P Phơng Liên P Lê Đại Hành Hồ Xuân P P.Đồng Bẩy P Phố Nhân Đống Mác Mẫu Huế 38,0 BV Nhi Đình Thôn Tâ y Mỗ Đ n g Lá ng Hò a Lạ c Tây Mỗ IV Chùa Bồ Đề P Cát Linh BV Phụ Sản Miêu Nha P IV.2.a Ngọc Lâm Cầu Chơng Dơng Chợ Đồng Xuân Đền Ghềnh Phú Viên P Điện Biên P Kim Mà P ngọc khánh An Hòa g cầu Long Biên P Phúc Xá P Đội Cấn (p Dịch Vọng) Giấy Q C ầ u Phú Mỹ Mỹ Đ ì n h P Quán Thánh lăng Chủ Tịch Hồ Chí Minh P Ngọc Hà 17 Q Ba Đình Khu đô thị Mỹ Đình ThÞ CÊm n P Ngun Trung Trùc N.T.Mai DÞch Cầu Diễn Hòe Thị ố Yên Tân Hồ Trúc Chùa Bạch P Trúc Bạch Trờng Chu Văn AnQuán Thánh g Nhuệ D Kiều Mai Ngọc Mạch Đông u Bắc Biên Yên Phụ Chùa Trấn Quốc Hồ Tây P Thụy Khuê tiêu Hà đ Bắc Cầu P Yên Phụ P Quảng An Hồ Khẩu Chùa Sải Xuân Phơng Ga KS Thắng Lợi Võng Thị Đồng Xa Đinh Quán Mơng 30 km n p Ngọc Thụy Khu nghỉ mátNghi Tàm Phủ Tây Hồ Bái Ân Cổ N h u ế Sông P h ú Di ễ n 32 Tu Hoàng ô Chùa Kim Liên Phờng Bởi Trích Sài Đức Diễn Ngọa Long Tr TDTTTƯ Tây Hồ P Xuân La Cổ Nhuế Phú Diễn Văn Trì Nguyên Xá 11 n Nhổn Tứ Liên Quảng Tây g km I Xuân Tảo Sở n Trôi Xóm Trại Minh Khai T.T Bắc Cầu P Tứ Liên An Ninh Quảng Khánh Vệ Hồ Xuân Đỉnh 10 h Khu Nhang I Quảng Tiến Thôn Nam Khu Đông I g ĐH Mỏ-Địa chất Đ.H.Cảnh Sát I (Cổ Nhuế) T l i ª m ng n h T yG ia Phúc Lý Ngà ba Hòa Lạc Đòs ô ủ Thôn Hạ Hà Tây III Thôn Đông s II.2.c T â y Tự u P Nhật Tân Thôn Bắc Q T â y H Tân Nhuệ Thôn Trung II h C Đ công nghiệp I thôn Thợng IV.7.a g I Þ ch II Phđ Lý 40 km Hình 2.2 Sơ đồ vị trí mặt cắt địa chất khu vực Hà Nội (Thu nhá) +12.2 M ùc n−íc tÇng QH F F +7.2 0.4 1.3 2.8 4.5 +2.2 0.6 -3 -2.8 12 -4 12.2 13 0.3 5.8 7.6 9.4 5.7 10 -3 15.0 Hå T©y 1.0 10 12.8 15.0 -7.8 M ùc n−íc tÇng Q P -8 12.0 13 7.5 9.0 -8 -8 10 4.1 5.6 8.2 12.0 -3 14.9 13 17.0 -12.8 4.2 10 12 -17.8 25.0 25.9 -22.8 30.0 21.5 13 12 24.5 29 -27.8 32.9 35.0 15 33.4 -32.8 -37.8 13 -42.8 52.0 -47.8 -52.8 Hình 2.3 Mặt cắt địa chất cơng trình địa chất thủy văn tuyến I–I 2.2.4 Đánh giá khả hóa lỏng đất khu vực Hà Nội có động đất 2.2.4.1 Phương pháp đánh giá hóa lỏng áp dụng cho luận án - Đánh giá dựa điều kiện địa chất, địa chấn - Đánh giá dựa kết thí nghiệm, điều tra địa chất 2.2.4.2 Đánh giá chung: Dựa điều kiện địa chất, địa chấn [9] a) Đặc trưng đất nền: Địa chất khu vực Hà nội thuộc loại trầm tích sơng hồ đầm lầy, yếu tố gây khả hóa lỏng đất Đất chủ yếu cát, sét, cát pha sét pha, lớp đất có chiều dày lớn:14,4m (lớp 3); 26,2m (lớp 6)…, khả nước nên khả hóa lỏng cao b) Mực nước ngầm: Tầng chứa nước Holocen Pleixtocen nằm cao độ nhỏ 20m – khoảng cao độ dễ xảy hóa lỏng c) Đặc tính động đất Khu vực Hà Nội chia thành khu vực có khả động đất cấp 7, cấp cấp 8-9, yếu tố tác nhân gây hóa lỏng đất 2.2.4.3 Đánh giá chi tiết: Xét mặt cắt tuyến từ I-I đến V-V a) Tuyến I-I: Xét lớp đất phạm vi chiều sâu có khả hóa lỏng (35% Ip